Процес буріння та експлуатації свердловин
Процес буріння та експлуатації свердловин пов'язаний з необхідністю періодичного очищення вибою від шламу, металевого скрапу, піску та інших продуктів руйнування гірських порід і підземного обладнання.
Одним з перспективних напрямків розвитку обладнання для очищення вибою свердловин вважається використання струминних апаратів.
Технологія очищення вибою свердловин за допомогою струминних апаратів передбачає створення в привибійній зоні місцевої зворотної промивки і може використовуватись як для вловлення шламу, піску та дрібних предметів, так і для видалення великих об'єктів, залишених у свердловині в процесі буріння або виконання ремонтних робіт. Суттєвою перевагою є відсутність необхідності попереднього руйнування великих предметів, що знаходяться на вибої.
Пристрій розміщують у свердловині на бурильних або насосно-компресорних трубах. Пристрій (рис. 1) складається з Двох секцій: верхньої І, яка вміщує струминний апарат, і нижньої П з бункерами для утримання видалених предметів та механізмом, який запобігає випаданню великих предметів з порожнини на вибій під час підйомних операцій. Верхня секція І виконана у вигляді перехідника 1, в корпусі якого розміщена робоча насадка 3 струминного апарата і камера змішування 4 з Дифузором. Центральний канал верхньої секції перекривають вставкою 2, яку скидають в колону труб для включення пристрою в роботу. Нижня секція II пристрою складається з верхнього перехідника 6, фільтруючих вставок 7 та патрубків 8, нижню частину яких виконано конічною. У нижній частині секції II розміщені пелюстки 9 механізму для запобігання випаданню
вловлених предметів і коронка 10, яка дає можливість більш ефективно очищати вибій. Верхня І і нижня II секції сполучаються між собою за допомогою патрубка 5.
Конструкція пристрою дає можливість здійснювати як пряме, так і зворотне місцеве промивання свердловини. Перед очищенням вибою свердловини здійснюють пряме промивання, коли центральний клапан пристрою відкритий і потік вільно надходить до вибою.
Після скидання в колону труб вставки 2 весь потік надходить на робочу насадку 3 струминного апарата і через камеру змішування виходить у затрубний простір. За рахунок розрідження, яке утворюється в приймальній камері струминного апарата в центральному каналі пристрою утворюється спрямований вгору потік рідини, який крізь отвори в центральному патрубку надходить у камеру змішування. У кільцевому просторі між зовнішньою поверхнею пристрою та стінками свердловини утворюється додатковий контур циркуляції, потік якого спрямований до вибою, внаслідок чого здійснюється його очищення.
Якщо потрібно здійснити додаткове пряме промивання, вставку 2 можна видалити із свердловини за допомогою спеціального вловлювача і канатної техніки. Якщо виникає потреба видалення із свердловини великих предметів, наприклад, шарошки, пристрій можна використовувати без шламозбірників. У цьому випадку нижню частину пристрою з коронкою під'єднують безпосередньо до струминного апарата, що значно зменшує габаритні компоновки і дає можливість використовувати її в похилих, викривлених та горизонтальних свердловинах.
Технічна характеристика
Приєднувальна різь за ГОСТ 633-80 — різь муфти, мм 73 Максимальний діаметр предметів, що вловлюються, мм 60 Діаметр прохідного перерізу робочої насадки, мм 5,6 Діаметр камери змішування, мм 8,0 Втрати тиску в робочій насадці (витрати рідини 5 л/с), Мпа 22, 887 Навантаження на пристрій у процесі очищення вибою, Кн 3-5 Рекомендована частота обертання, об/хв, не більш як 100 Габаритні розміри, мм:
довжина: без шламозбірників 631 з шламозбірниками 12500
діаметр 114
Нагромадження в шламозбірниках пристрою частинок піску, цілішу, металевого скрапу та дрібних предметів здійснюється вш.слідок утворення різниці швидкостей руху потоку у перерізі його виходу з центрального каналу в порожнину уловлювача.
Ефективність очищення вибою свердловини визначається величиною витрати спрямованого вгору потоку. Керування процесом здійснюється регулюванням продуктивності поверхневого насоса. Вибір режиму очищення вибою свердловини полягає у визначенні продуктивності поверхневого насоса, яка забезпечує необхідне значення витрат спрямованого вгору потоку. Методика гідравлічного розрахунку складається з двох частин: визначення фактичних витрат спрямованого вгору потоку рідини, який створюється використанням струминного
апарата, та визначення мінімально необхідних витрат рідини які забезпечують очищення вибою. ^
Витрати спрямованого вгору потоку визначають, характеристикою гідравлічної системи і струминного насоса послідовною схемою вмикання. Гідравлічний розрахунок системи, в якій працює струминний насос, зводиться д0 визначення втрат тиску в системі циркуляції свердловини.
Робочий процес струминного апарата визначається залежністю, яку можна вивести з використанням закот збереження кількості руху рідини між характерними перерізами насоса [1]:
робочого сопла на вході потоку, площі інжектованого і змішаного потоків відповідно; рр, рі; р3, — густини робочого інжектованого та змішаного потоків відповідно; і — коефіцієв інжекції; АР — різниця тисків змішаного та робочого потокії АР 3 — різниця тисків змішаного та інжектованого потокії Р , Р{, Р3 — значення статичних тисків робочого, інжектованої та змішаного потоків відповідно; Qf, Q. — витрати робочого * інжектованого потоків.
Статичні тиски, що характеризують робочий проц струминного апарата згідно з схемою його розміщення свердловині (рис. 2) визначаємо за формулами:
Втрати тиску в затрубному просторі визначаються за формулою Дарсі-Вейсбаха, а втрати тиску в робочій насадці — за формулою місцевих гідравлічних опорів [2]. Втрати тиску в інжекційній лінії (якщо струминний апарат розміщено над вибоєм) визначаються гідравлічним опором кільцевого зазору, який утворюється внутрішніми стінками пристрою та предметом, який уловлюється.
Де С — коефіцієнт обтікання предмета, що уловлюється; F. — площа внуїгрішнього перерізу нижньої частини пристрою.
Втратами тиску в інжекційній лінії можна нехтувати, якщо Діаметр предметів, що вловлюються, набагато менший від діаметра внутрішнього перерізу пристрою.
Коефіцієнт гідравлічного опору для обтікання тіла обмеже-ним потоком зв'язаний з аналогічним параметром для обтікання
тіла необмеженим потоком таким співвідношенням [3]*
де Со — коефіцієнт гідравлічного опору під час обтікання тіла необмеженим потоком; q — відносний діаметр, який визначається співвідношенням діаметра тіла, що уловлюється d і внутрішнього діаметра пристрою da (д = d/do).
Розв'язуючи систему рівнянь (1) — (8), визначаємо витрати спрямованого вгору потоку.
Підйом тіла у спрямованому вгору потоці стає можливим, якщо його витрати перевищують витрати, які забезпечують витання об'єкту. Витрати рідини, що забезпечують витання предмету, визначаються з рівняння балансу діючих на нього сил з урахуванням умов стиснення потоку [4].
де рт, р ,—відповідно густина тіла, що вловлюється, і густина рідини.
Теоретично підйом тіла у спрямованому вгору потоці стає можливим навіть при незначному перебільшенні витрат Q. над витратами Qt, визначеними за формулою (9). Фактичне необхідне значення Qe завжди більше від розрахованого і залежить від умов відриву тіла від вибою, його положення в каналі та інших факторів. У процесі виконання розрахунків процесу очищення вибою за формулою (9) визначають мінімально необхідне значення витрат, після чого роблять висновок про доцільність зміни режиму роботи струминного апарата.
На рис. З показано залежність витрат в інжекційній лінї від витрат поверхневого насоса для різних співвідношень площ робочої насадки і камери змішування. Розрахункові залежності отримано для пристрою, який опущено в свердловину діаметром 0,126 м на глибину 4000 м на насосно-компресорних трубах діаметром 73 мм. Залежність витрат інжектованого потоку від витрат робочого потоку
має лінійний характер для будь-яких співвідношень ~7~ . Зростання
А к. . Р
співвідношень f збільшує витрати Інжектованого потоку.
Залежність витрат потоку, який забезпечує витання предметів від відносного діаметра має параболічний характер для будь-яких значень діаметрів внутрішнього перерізу нижньої частини пристрою (див. рис. 4). Всі розрахункові залежності мають екстремум. Максимальне значення витрат із зменшенням діаметра пристрою.
Розроблену методику розрахунку можна використовувати як для експлуатації, так і при проектуванні пристроїв для очищення вибою, принцип дії яких грунтується на утворенні спрямованого вгору потоку рідини за допомогою струминних апаратів.
Одним з перспективних напрямків розвитку обладнання для очищення вибою свердловин вважається використання струминних апаратів.
Технологія очищення вибою свердловин за допомогою струминних апаратів передбачає створення в привибійній зоні місцевої зворотної промивки і може використовуватись як для вловлення шламу, піску та дрібних предметів, так і для видалення великих об'єктів, залишених у свердловині в процесі буріння або виконання ремонтних робіт. Суттєвою перевагою є відсутність необхідності попереднього руйнування великих предметів, що знаходяться на вибої.
Пристрій розміщують у свердловині на бурильних або насосно-компресорних трубах. Пристрій (рис. 1) складається з Двох секцій: верхньої І, яка вміщує струминний апарат, і нижньої П з бункерами для утримання видалених предметів та механізмом, який запобігає випаданню великих предметів з порожнини на вибій під час підйомних операцій. Верхня секція І виконана у вигляді перехідника 1, в корпусі якого розміщена робоча насадка 3 струминного апарата і камера змішування 4 з Дифузором. Центральний канал верхньої секції перекривають вставкою 2, яку скидають в колону труб для включення пристрою в роботу. Нижня секція II пристрою складається з верхнього перехідника 6, фільтруючих вставок 7 та патрубків 8, нижню частину яких виконано конічною. У нижній частині секції II розміщені пелюстки 9 механізму для запобігання випаданню
вловлених предметів і коронка 10, яка дає можливість більш ефективно очищати вибій. Верхня І і нижня II секції сполучаються між собою за допомогою патрубка 5.
Конструкція пристрою дає можливість здійснювати як пряме, так і зворотне місцеве промивання свердловини. Перед очищенням вибою свердловини здійснюють пряме промивання, коли центральний клапан пристрою відкритий і потік вільно надходить до вибою.
Після скидання в колону труб вставки 2 весь потік надходить на робочу насадку 3 струминного апарата і через камеру змішування виходить у затрубний простір. За рахунок розрідження, яке утворюється в приймальній камері струминного апарата в центральному каналі пристрою утворюється спрямований вгору потік рідини, який крізь отвори в центральному патрубку надходить у камеру змішування. У кільцевому просторі між зовнішньою поверхнею пристрою та стінками свердловини утворюється додатковий контур циркуляції, потік якого спрямований до вибою, внаслідок чого здійснюється його очищення.
Якщо потрібно здійснити додаткове пряме промивання, вставку 2 можна видалити із свердловини за допомогою спеціального вловлювача і канатної техніки. Якщо виникає потреба видалення із свердловини великих предметів, наприклад, шарошки, пристрій можна використовувати без шламозбірників. У цьому випадку нижню частину пристрою з коронкою під'єднують безпосередньо до струминного апарата, що значно зменшує габаритні компоновки і дає можливість використовувати її в похилих, викривлених та горизонтальних свердловинах.
Технічна характеристика
Приєднувальна різь за ГОСТ 633-80 — різь муфти, мм 73 Максимальний діаметр предметів, що вловлюються, мм 60 Діаметр прохідного перерізу робочої насадки, мм 5,6 Діаметр камери змішування, мм 8,0 Втрати тиску в робочій насадці (витрати рідини 5 л/с), Мпа 22, 887 Навантаження на пристрій у процесі очищення вибою, Кн 3-5 Рекомендована частота обертання, об/хв, не більш як 100 Габаритні розміри, мм:
довжина: без шламозбірників 631 з шламозбірниками 12500
діаметр 114
Нагромадження в шламозбірниках пристрою частинок піску, цілішу, металевого скрапу та дрібних предметів здійснюється вш.слідок утворення різниці швидкостей руху потоку у перерізі його виходу з центрального каналу в порожнину уловлювача.
Ефективність очищення вибою свердловини визначається величиною витрати спрямованого вгору потоку. Керування процесом здійснюється регулюванням продуктивності поверхневого насоса. Вибір режиму очищення вибою свердловини полягає у визначенні продуктивності поверхневого насоса, яка забезпечує необхідне значення витрат спрямованого вгору потоку. Методика гідравлічного розрахунку складається з двох частин: визначення фактичних витрат спрямованого вгору потоку рідини, який створюється використанням струминного
апарата, та визначення мінімально необхідних витрат рідини які забезпечують очищення вибою. ^
Витрати спрямованого вгору потоку визначають, характеристикою гідравлічної системи і струминного насоса послідовною схемою вмикання. Гідравлічний розрахунок системи, в якій працює струминний насос, зводиться д0 визначення втрат тиску в системі циркуляції свердловини.
Робочий процес струминного апарата визначається залежністю, яку можна вивести з використанням закот збереження кількості руху рідини між характерними перерізами насоса [1]:
робочого сопла на вході потоку, площі інжектованого і змішаного потоків відповідно; рр, рі; р3, — густини робочого інжектованого та змішаного потоків відповідно; і — коефіцієв інжекції; АР — різниця тисків змішаного та робочого потокії АР 3 — різниця тисків змішаного та інжектованого потокії Р , Р{, Р3 — значення статичних тисків робочого, інжектованої та змішаного потоків відповідно; Qf, Q. — витрати робочого * інжектованого потоків.
Статичні тиски, що характеризують робочий проц струминного апарата згідно з схемою його розміщення свердловині (рис. 2) визначаємо за формулами:
Втрати тиску в затрубному просторі визначаються за формулою Дарсі-Вейсбаха, а втрати тиску в робочій насадці — за формулою місцевих гідравлічних опорів [2]. Втрати тиску в інжекційній лінії (якщо струминний апарат розміщено над вибоєм) визначаються гідравлічним опором кільцевого зазору, який утворюється внутрішніми стінками пристрою та предметом, який уловлюється.
Де С — коефіцієнт обтікання предмета, що уловлюється; F. — площа внуїгрішнього перерізу нижньої частини пристрою.
Втратами тиску в інжекційній лінії можна нехтувати, якщо Діаметр предметів, що вловлюються, набагато менший від діаметра внутрішнього перерізу пристрою.
Коефіцієнт гідравлічного опору для обтікання тіла обмеже-ним потоком зв'язаний з аналогічним параметром для обтікання
тіла необмеженим потоком таким співвідношенням [3]*
де Со — коефіцієнт гідравлічного опору під час обтікання тіла необмеженим потоком; q — відносний діаметр, який визначається співвідношенням діаметра тіла, що уловлюється d і внутрішнього діаметра пристрою da (д = d/do).
Розв'язуючи систему рівнянь (1) — (8), визначаємо витрати спрямованого вгору потоку.
Підйом тіла у спрямованому вгору потоці стає можливим, якщо його витрати перевищують витрати, які забезпечують витання об'єкту. Витрати рідини, що забезпечують витання предмету, визначаються з рівняння балансу діючих на нього сил з урахуванням умов стиснення потоку [4].
де рт, р ,—відповідно густина тіла, що вловлюється, і густина рідини.
Теоретично підйом тіла у спрямованому вгору потоці стає можливим навіть при незначному перебільшенні витрат Q. над витратами Qt, визначеними за формулою (9). Фактичне необхідне значення Qe завжди більше від розрахованого і залежить від умов відриву тіла від вибою, його положення в каналі та інших факторів. У процесі виконання розрахунків процесу очищення вибою за формулою (9) визначають мінімально необхідне значення витрат, після чого роблять висновок про доцільність зміни режиму роботи струминного апарата.
На рис. З показано залежність витрат в інжекційній лінї від витрат поверхневого насоса для різних співвідношень площ робочої насадки і камери змішування. Розрахункові залежності отримано для пристрою, який опущено в свердловину діаметром 0,126 м на глибину 4000 м на насосно-компресорних трубах діаметром 73 мм. Залежність витрат інжектованого потоку від витрат робочого потоку
має лінійний характер для будь-яких співвідношень ~7~ . Зростання
А к. . Р
співвідношень f збільшує витрати Інжектованого потоку.
Залежність витрат потоку, який забезпечує витання предметів від відносного діаметра має параболічний характер для будь-яких значень діаметрів внутрішнього перерізу нижньої частини пристрою (див. рис. 4). Всі розрахункові залежності мають екстремум. Максимальне значення витрат із зменшенням діаметра пристрою.
Розроблену методику розрахунку можна використовувати як для експлуатації, так і при проектуванні пристроїв для очищення вибою, принцип дії яких грунтується на утворенні спрямованого вгору потоку рідини за допомогою струминних апаратів.
